溫震江，高謙?，王永定，何建元

（1.金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；3.金川集團(tuán)股份有限公司，甘肅 金昌 737100）

近年來(lái)國(guó)家對(duì)于循環(huán)經(jīng)濟(jì)越來(lái)越重視，對(duì)于高能耗高污染的礦山企業(yè)而言，節(jié)能減排和綠色開(kāi)采成為當(dāng)今礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)的兩大主題，而充填采礦技術(shù)以其安全及對(duì)環(huán)境破壞較小的特點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)外礦山企業(yè)廣泛應(yīng)用[1－2]，但是充填采礦法不僅工藝復(fù)雜，生產(chǎn)能力低，而且充填采礦成本高，直接影響礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益.膠凝材料選擇與充填料漿配比不僅影響充填效果，而且對(duì)充填成本起決定作用[3－4].為了提高充填質(zhì)量和降低充填成本，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)新型膠凝材料開(kāi)發(fā)、充填料漿配比及優(yōu)化進(jìn)行了大量研究，其中利用礦渣[5－6]、水淬鎳渣[7]等冶金渣以及磷石膏[8]、粉煤灰[9－10]等其他工業(yè)固廢開(kāi)發(fā)適用于尾砂和粗骨料的新型充填膠凝材料，不僅避免了礦山企業(yè)因固廢堆存造成環(huán)保及安全等問(wèn)題，而且能夠滿足礦山充填要求；為了進(jìn)一步降低充填成本，在充分滿足礦山質(zhì)量要求的前提下，需要對(duì)充填料漿配比進(jìn)行優(yōu)化.研究表明，骨料級(jí)配[11]、膠凝材料種類(lèi)及用量[12]及料漿配比[13]等因素對(duì)充填質(zhì)量有很大影響；在此基礎(chǔ)上，高謙等[14]采用響應(yīng)面法對(duì)充填料漿進(jìn)行配比及優(yōu)化研究，不僅分析了各因素及交互作用對(duì)充填質(zhì)量的影響，而且確定了料漿的合理配比；Fall 等[15]、吳浩等[16]將礦山充填質(zhì)量要求作為約束、充填成本作為目標(biāo)進(jìn)行充填料漿配比的多目標(biāo)優(yōu)化，在滿足充填質(zhì)量要求的前提下，進(jìn)一步降低充填成本；遺傳算法[17]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[18]等優(yōu)化算法的應(yīng)用，進(jìn)一步縮短優(yōu)化時(shí)間，而且可以得到全局最優(yōu)解.本文在前期研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量探索性試驗(yàn)，采用冶金廢渣及礦山固廢開(kāi)發(fā)新型膠凝材料替代水泥，然后利用開(kāi)發(fā)的膠凝材料開(kāi)展不同充填料漿配比試驗(yàn)，并基于熵權(quán)多屬性決策模型對(duì)充填料漿配比進(jìn)行優(yōu)化，得到滿足礦山充填體強(qiáng)度、充填料漿流動(dòng)性和穩(wěn)定性，并且充填成本最低的配比方案.

1 試驗(yàn)材料及研究方法

1.1 試驗(yàn)材料物化分析

試驗(yàn)采用礦渣微粉、脫硫石膏、熟料、廢石和棒磨砂，其中礦渣微粉為活性材料，是由鋼鐵廠水淬渣經(jīng)過(guò)粉磨到細(xì)度（45 μm 篩余）為5%左右的粉體；脫硫石膏和熟料為激發(fā)劑材料，其中脫硫石膏為鋼鐵廠脫硫的副產(chǎn)品，細(xì)度為15.21%；熟料取自當(dāng)?shù)厮鄰S，粉磨后細(xì)度達(dá)到10.36%[19]；骨料采用廢石和棒磨砂混合骨料，不同配比混合骨料粒徑級(jí)配和堆積密實(shí)度分別如圖1 和圖2 所示，基于泰波級(jí)配理論和堆積密實(shí)度最大原則，可以看出廢石和棒磨砂質(zhì)量比（簡(jiǎn)稱“廢砂比”）為6∶4～8∶2，與理想狀態(tài)的Fuller 曲線更接近，而且堆積密實(shí)度較大，由此確定試驗(yàn)廢砂比為6∶4、7∶3 和8∶2 三種級(jí)配，并且計(jì)算得出配比情況下粒徑級(jí)配特征值，如表1 所示.同時(shí)采用X 射線熒光光譜（XRF）對(duì)所有試驗(yàn)材料礦物成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表2 所示.根據(jù)礦渣微粉礦物成分分析結(jié)果可以計(jì)算得出其堿性系數(shù)M0=1.192＞1，屬于堿性礦渣，質(zhì)量系數(shù)K=1.724＞1.6，活性指數(shù)Ma=0.318＞0.3，屬于較高活性礦渣[20]，其微觀形態(tài)如圖3 所示，由圖3 可知，礦渣微粉主要由大小不一的不規(guī)則的塊狀顆粒組成，玻璃相的細(xì)小顆粒附著在塊狀顆粒表明，其為礦渣提供膠凝活性.綜上所述該礦渣屬于具有較高活性的堿性礦渣，滿足開(kāi)發(fā)膠凝材料的要求.

表1 不同配比的混合骨料粒徑級(jí)配特征值Tab.1 Particle size gradation characteristic values of mixed aggregates with different proportions

1.2 熵權(quán)多屬性決策模型

多屬性決策是多準(zhǔn)則決策的重要組成部分，其著重研究關(guān)于離散的、有限個(gè)方案的決策問(wèn)題.對(duì)于多屬性決策模型，其通過(guò)n 個(gè)指標(biāo)對(duì)m 個(gè)待選方案進(jìn)行綜合評(píng)判，則形成m×n 的決策矩陣Y[21－22].

式中：yij（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）表示第i 個(gè)方案第j 個(gè)指標(biāo)的值.為了消除評(píng)價(jià)指標(biāo)不同量綱的影響，根據(jù)式（1）對(duì)決策矩陣Y 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣S[21－22]：

熵權(quán)法是根據(jù)信息熵的定義，反映各評(píng)判指標(biāo)的差異，差異越大，熵值越小，表明該指標(biāo)的相對(duì)重要度越大，權(quán)重也就越大，反之權(quán)重就越小.熵值E為：

將標(biāo)準(zhǔn)決策矩陣S 與各指標(biāo)權(quán)重θj相乘得到加權(quán)決策矩陣W=[wij]m×n=[θjsij]m×n.并據(jù)此確定正負(fù)理想解向量W+和W－：

式中：J1、J2分別表示效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)的下標(biāo)集合.

采用優(yōu)劣解距離法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS），利用歐氏公式計(jì)算各方案與正理想解和負(fù)理想解的距離D+和D－：

在得到D+和D-基礎(chǔ)上，根據(jù)式（6）計(jì)算各方案的相對(duì)貼近度Ci，其值越大，說(shuō)明方案越理想.

2 膠凝材料配比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

利用固廢資源開(kāi)發(fā)新型膠凝材料，在此之前進(jìn)行了大量探索性試驗(yàn)，根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，確定如下配比試驗(yàn)方案：以熟料質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%～12%，脫硫石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～14%設(shè)計(jì)兩因素三水平的正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表3 所示，然后按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》（GB/T 17671—1999），以水灰比0.5攪拌均勻后澆筑成40 mm×40 mm×160 mm 的標(biāo)準(zhǔn)膠砂試塊，脫模后放入養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期測(cè)試其強(qiáng)度.

表3 膠凝材料配比正交試驗(yàn)方案Tab.3 Orthogonal test scheme for proportion of cementitious materials

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方案進(jìn)行膠凝材料配比試驗(yàn)，結(jié)果如圖4 所示，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如圖5 所示.

圖4 膠凝材料配比正交試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 The results of orthogonal test of cementitious material ratio

圖5 膠凝材料配比正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果Fig.5 Range analysis results of orthogonal test of cementitious material ratio

根據(jù)膠凝材料配比膠砂試驗(yàn)和極差分析結(jié)果可以看出：對(duì)于7 d 強(qiáng)度，最優(yōu)配比為熟料質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%、脫硫石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%，而且脫硫石膏權(quán)重較大；對(duì)28 d 強(qiáng)度而言，最優(yōu)配比也是熟料質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%、脫硫石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%，但是熟料權(quán)重較大；隨著熟料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，7 d 和28 d 強(qiáng)度均逐漸降低，而隨著脫硫石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，7 d 和28 d 強(qiáng)度均逐漸增大.綜上所述，確定膠凝材料配比為：熟料、脫硫石膏和礦渣微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8%、14%和78%，并以此配比的膠凝材料進(jìn)行料漿配比優(yōu)化試驗(yàn).

2.3 膠凝材料水化機(jī)理分析

為了研究膠凝材料水化機(jī)理，按照GB/T 346—2001 制備前期確定的膠凝材料凈漿試塊，脫模并養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期之后采用無(wú)水乙醇浸泡12 h 使其停止反應(yīng)，烘干后破碎進(jìn)行研磨或打磨噴金制樣，然后利用XRD 對(duì)膠凝材料的水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[6].圖6 和圖7 分別為膠凝材料7 d 和28 d 水化產(chǎn)物的XRD 圖和SEM 圖.由圖6 和圖7 可知，膠凝材料水化產(chǎn)物主要為水化硅酸鈣、鈣礬石和硫鋁酸鈣，同時(shí)還能觀察到少量石膏.在水化反應(yīng)早期，熟料中的鋁酸三鈣水化生成板狀的硫鋁酸鈣，并且生成的硫鋁酸鈣與脫硫石膏反應(yīng)生成鈣礬石；同時(shí)硅酸三鈣水化生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣，使得料漿中OH-濃度增高，逐漸破壞礦渣微粉的玻璃體結(jié)構(gòu)，釋放出Ca2+和各種硅酸根離子等，結(jié)合脫硫石膏溶解釋放出來(lái)的Ca2+和生成C—S—H 凝膠和AFt；并且隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，在復(fù)合激發(fā)作用下，礦渣微粉進(jìn)一步水化，其中的f-CaO 進(jìn)一步溶解，生成的水化產(chǎn)物進(jìn)一步增加；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，膠凝材料水化產(chǎn)生的短棒狀A(yù)Ft 明顯增加，且與C—S—H 凝膠相互交錯(cuò)搭接，C—S—H 凝膠含量也增大，水化產(chǎn)物結(jié)晶度也逐漸增加，結(jié)構(gòu)慢慢變得密實(shí)，強(qiáng)度也逐漸提高[21].

圖6 膠凝材料水化產(chǎn)物XRD 圖Fig.6 XRD patterns of the hydration products of cementitious material

圖7 膠凝材料凈漿水化產(chǎn)物SEM 圖Fig.7 SEM images of the hydration products of cementitious material

3 充填料漿配比優(yōu)化試驗(yàn)

利用固廢開(kāi)發(fā)新型膠凝材料替代水泥，以降低充填成本，針對(duì)前期開(kāi)發(fā)的膠凝材料，根據(jù)金川充填系統(tǒng)的要求，對(duì)充填料漿配比進(jìn)行優(yōu)化，在提高充填效果的同時(shí)進(jìn)一步降低充填成本，以期獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益.

3.1 充填料漿配比試驗(yàn)方案

根據(jù)金川充填系統(tǒng)和充填物料情況，進(jìn)行充填料漿配比試驗(yàn).試驗(yàn)方案如下：骨料采用廢石和棒磨砂混合骨料，廢砂比分別為6∶4、7∶3 和8∶2；膠凝材料采用前期確定的配比為熟料8%、脫硫石膏14%和礦渣微粉78%，細(xì)度為5%左右的新型膠凝材料；膠砂比為1∶4；料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為76%、78%和80%.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)方案分別測(cè)定各組混合骨料的7 d 和28 d 強(qiáng)度、坍落度和泌水率，具體試驗(yàn)方案及結(jié)果如表4 所示，其中充填成本按照單位體積充填體所需各物料價(jià)格計(jì)算所得.

表4 混合骨料充填料漿配比試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of mixing aggregate filling slurry

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)充填料漿配比試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，混合骨料配比（廢砂比）和料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)包括充填體強(qiáng)度、料漿坍落度和泌水率均有顯著影響，如圖8 所示.由圖8 可知，各混合骨料配比的7 d 和28 d 強(qiáng)度均隨料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而增大，并且在其他條件相同的情況下，廢砂比為7∶3 時(shí)強(qiáng)度較其他配比高，表明此時(shí)骨料配比最優(yōu)；當(dāng)混合骨料中廢石質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高10%時(shí)，7 d、28 d 強(qiáng)度分別降低33.7%和24.0%；當(dāng)廢石質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低10%時(shí)，7 d、8 d 強(qiáng)度分別降低7.5%和6.3%；各廢砂比的料漿坍落度和泌水率均隨料漿質(zhì)量濃度的提高逐漸降低，且廢砂比7∶3時(shí)，各料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的坍落度均最小，當(dāng)混合骨料中廢石質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低或提高10%時(shí)，料漿坍落度分別平均增大了0.84%和2.06%.同樣，料漿泌水率在廢砂比7∶3 時(shí)，各料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的泌水率均最小；當(dāng)混合骨料中廢石質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低或提高10%時(shí)，料漿泌水率分別平均增大了2.26%和6.65%.

圖8 充填指標(biāo)與充填料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.8 The relationship between filling index and filling slurry mass concentration

3.3 充填料漿配比優(yōu)化

充填采礦活動(dòng)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅要考慮充填體強(qiáng)度、料漿流動(dòng)性，而且要考慮充填成本，在滿足充填效果的前提下，盡可能降低充填成本，才能獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益.充填料漿配比優(yōu)化是要綜合考慮多因素的一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化決策問(wèn)題，基于多屬性決策對(duì)充填料漿進(jìn)行配比優(yōu)化，以期獲得最優(yōu)的料漿配比方案.

金川礦山要求充填體7 d 和28 d 強(qiáng)度分別不小于2.5 MPa 和5 MPa，由表4 可以看出，僅B1～B6 組試驗(yàn)滿足強(qiáng)度要求，因此，將這6 組方案作為待選方案，并將7 d 和28 d 強(qiáng)度、坍落度、泌水率及充填成本作為評(píng)判指標(biāo)，形成決策矩陣Y6×5，并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，其中7 d 和28 d 強(qiáng)度屬于效益型指標(biāo)；Fall 等[15]、趙國(guó)彥等[23]研究表明，坍落度合理范圍為15～30 cm，并將理想值定為18 cm，泌水率合理范圍為5%～20%，并將理想值定為10%；充填成本按照單位體積充填體所需各物料價(jià)格計(jì)算得到，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果的范圍，可將坍落度、泌水率和充填成本均看作成本型指標(biāo)，得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣S6×5.

根據(jù)表4 試驗(yàn)結(jié)果，得到?jīng)Q策矩陣Y6×5為：

根據(jù)確定的指標(biāo)類(lèi)型，按照式（1）對(duì)決策矩陣Y6×5進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣S6×5為：

并根據(jù)熵權(quán)法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重θj，可以得到各評(píng)判指標(biāo)權(quán)重均為0.2，并將標(biāo)準(zhǔn)決策矩陣S與各指標(biāo)權(quán)重θj相乘得到加權(quán)決策矩陣W6×5：

然后由加權(quán)決策矩陣結(jié)合式（4）得到正負(fù)理想解向量W+和W－：

最后根據(jù)式（5）（6）分別計(jì)算各方案的貼近度，結(jié)果為：Ci=[0.235 0.297 0.614 0.257 0.480 0.769]T，可以看出各方案評(píng)價(jià)順序?yàn)椋築6＞B3＞B5＞B2＞B4＞B1，即采用開(kāi)發(fā)的新型膠凝材料，充填料漿最優(yōu)配比為：廢砂比7∶3、膠砂比1∶4、料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%.并對(duì)此配比進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖9 所示，限于篇幅，不贅述過(guò)程，試驗(yàn)7 d 強(qiáng)度、28 d 強(qiáng)度、坍落度和泌水率分別為4.36 MPa、6.62 MPa、26.8 cm 和11.1%，均滿足金川礦山要求，并且單位充填成本由原來(lái)的198元/m3（原配比方案：料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%、水泥添加量370 kg/m3、廢砂比1∶1），降低到139 元/m3，降低了29.8%.

圖9 坍落度和泌水率驗(yàn)證測(cè)試Fig.9 Verification test of slump and bleeding rate

4 結(jié)論

1）對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行物化分析，可以得到礦渣、脫硫石膏和熟料細(xì)度分別為5%、15.21%和10.36%；礦渣礦物成分分析表明其為活性較高的堿性礦渣，滿足開(kāi)發(fā)膠凝材料的要求；并對(duì)混合骨料進(jìn)行級(jí)配分析，確定廢砂比為6∶4、7∶3 和8∶2 的3 種級(jí)配的混合骨料.

2）基于前期探索性試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)膠砂試驗(yàn)并進(jìn)行極差分析，確定新型膠凝材料配比為熟料、脫硫石膏和礦渣微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8%、14%和78%，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證滿足金川礦山充填要求.

3）為了探究新型膠凝材料水化機(jī)理，采用XRD和SEM 分析其水化產(chǎn)物、微觀結(jié)構(gòu)和水化過(guò)程，可以看出水化產(chǎn)物主要為水化硅酸鈣、鈣礬石和硫鋁酸鈣，同時(shí)含有少量石膏.并且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，膠凝材料水化產(chǎn)生的短棒狀A(yù)Ft 明顯增加，且與C—S—H 凝膠相互交錯(cuò)搭接，C—S—H 凝膠含量增大，水化產(chǎn)物結(jié)晶度也逐漸增加，結(jié)構(gòu)慢慢變得密實(shí)，強(qiáng)度也逐漸提高.

4）為了降低充填成本，采用新型膠凝材料替代水泥，針對(duì)金川礦山充填系統(tǒng)對(duì)充填料漿進(jìn)行配比試驗(yàn)，并以7 d 強(qiáng)度、28 d 強(qiáng)度、坍落度、泌水率及單位充填成本為評(píng)判指標(biāo)，基于多屬性決策對(duì)充填料漿進(jìn)行配比優(yōu)化，確定充填料漿最優(yōu)配比為：采用新型膠凝材料、骨料為廢砂比7∶3 的混合骨料，膠砂比1∶4，料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%，并按此配比進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到試驗(yàn)7 d 強(qiáng)度、28 d 強(qiáng)度、坍落度和泌水率分別為4.36 MPa、6.62 MPa、26.8 cm 和11.1%，均滿足金川礦山要求，并且單位充填成本由原來(lái)的198 元/m3，降低到139 元/m3，降低了29.8%.